李志敏,孫炳華

(1.河北省滄州水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,河北 滄州 061000;2.河北省滄州市水利科學(xué)研究所,河北滄州 061000)

滄州地下水超采與地面沉降關(guān)系的分析與探討

李志敏1,孫炳華2

(1.河北省滄州水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,河北 滄州 061000;2.河北省滄州市水利科學(xué)研究所,河北滄州 061000)

針對(duì)滄州市水資源嚴(yán)重匱乏、為維持村地區(qū)民眾和生存和發(fā)展,不得不大量超采深層地下水,并由此而引發(fā)的地下水位下降、地面沉降等一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題,通過(guò)地面沉降機(jī)理的分析、沉降層的確定等,結(jié)合多年觀測(cè)資料,分析探討了地下水超采與地面沉降的關(guān)系,結(jié)果表明:地下水超采已引發(fā)了嚴(yán)重的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題,包括地面沉降。

地下水;超采;地面沉降;探討

1 概述

滄州是我國(guó)水資源嚴(yán)重短缺的地區(qū)之一。全市多年平均地表水資源量為 5.74億 m3,地下水資源量為 6.7億 m3,扣除重復(fù)計(jì)算量 0.5億 m3,全市多年平均水資源總量為 11.94億 m3。全市人均水資源占有量 183m3,為全國(guó)平均值的8%,河北省平均值的 61%,不足國(guó)際公認(rèn)的絕對(duì)貧水標(biāo)準(zhǔn)(人均水資源量少于 500m3的為絕對(duì)貧水)的 40%。為維持本地區(qū)人民的正常生活和生產(chǎn),自上個(gè)世紀(jì)七十年代以來(lái),主要依賴于超采地下水。而近年來(lái),又不得不依靠引調(diào)外源水維護(hù)生活、生產(chǎn)和生態(tài)。

2 地下水超過(guò)采狀況及其引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題

2.1 深層地下水概況

2.1.1 深層地下水開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

滄州市深層地下水的開(kāi)發(fā)利用始于上世紀(jì)六十年代中期,2005年深機(jī)井達(dá)到 23747眼。全市深層地下水的限采量為 2.93億 m3,2005年全市開(kāi)采深層地下水 7.50億 m3,處于嚴(yán)重超采狀態(tài)。

2.1.2 超采情況

根據(jù)歷年滄州市水資源公報(bào),經(jīng)計(jì)算分析,滄州市深層地下水限采量為 29 239萬(wàn)m3,多年平均開(kāi)采量為 77 405萬(wàn)m3,超采量為 48 166萬(wàn) m3。超采系數(shù)大于 2.0的縣市有任丘市、東光縣、南皮縣、鹽山縣、黃驊市、青縣。其中鹽山縣超采系數(shù)達(dá)到了 3.89。

2.2 地下水水位及漏斗情況

2.2.1 地下水位

深層地下水的補(bǔ)給非常緩慢,可以說(shuō)是不可再生的資源。由于深層地下水的連年超采造成地下水位埋深大幅度增加,吳橋縣年平均水位下降速度達(dá)到 2.34m/a,見(jiàn)圖 1、圖2。自 1998年以來(lái),滄州各縣(市、區(qū))深層地下水水位下降速率加大。

2.2.2 地下水漏斗

地下水的連年超采造成地下水漏斗面積不斷擴(kuò)展,漏斗中心埋深不斷增深,形成全國(guó)聞名的地下水超采漏斗區(qū)。

1975年漏斗中心水位埋深為 50.28 m,至 2005年漏斗中心最大埋深已達(dá) 100.88 m,二十多年內(nèi)埋深增加了 50多m。

如今漏斗形態(tài)已發(fā)生了變化,和其它漏斗連成了一片,從單一漏斗發(fā)展成復(fù)合漏斗,形成了 1.4萬(wàn) km2全國(guó)罕見(jiàn)的降落“漏斗群”。

圖 1 第Ⅲ含水組單井變化過(guò)程線

圖 2 第Ⅳ含水組埋深變化過(guò)程線

2.3 地下水資源開(kāi)發(fā)利用引起的環(huán)境生態(tài)問(wèn)題

滄州是河北省水資源最短缺的地區(qū)之一,地下水的連年超采引起了地下水位下降、地下水漏斗擴(kuò)展、地面沉降、地裂縫和塌陷等一系列水環(huán)境問(wèn)題。

2.3.1 地面沉降

由于滄州市地下水位的大幅下降,引發(fā)了滄州市地面沉降加重。我國(guó) 4個(gè)地面沉降超過(guò) 2m的城市中,滄州名列其中,其沉降中心累計(jì)沉降量已達(dá) 2 236 mm,平均每年下降100.4mm。全市現(xiàn)有滄州市區(qū)沉降區(qū)、黃驊沉降區(qū)、河間沉降區(qū)、任丘沉降區(qū) 4個(gè)較嚴(yán)重沉降區(qū)。

地面的大幅度沉降給滄州帶來(lái)了一系列社會(huì)和環(huán)境危害。其主要有城區(qū)內(nèi)澇積水嚴(yán)重,對(duì)水利工程防洪、測(cè)量標(biāo)志造成嚴(yán)重危害;對(duì)樓房、鐵路、公路、橋梁等地面建筑物的安全造成的危害,地面的沉降又進(jìn)一步導(dǎo)致了地裂縫和風(fēng)暴潮危害的進(jìn)一步加重等。

2.3.2 咸淡水界面下移

由于深層地下水的嚴(yán)重超采引起咸淡水界面明顯下移。據(jù)滄縣典型區(qū)研究資料顯示,咸淡水界面平均下移 18 m,最小下移 10m,最大下移 50 m。

2.3.3 機(jī)井報(bào)廢加快,提水成本增加

地下水位埋深的連年增加,造成水井提水泵揚(yáng)程不斷加大,單井出水量減少,水井運(yùn)行費(fèi)用大幅度增加,機(jī)井報(bào)廢加快,提水費(fèi)用增高。

3 地面沉降機(jī)理分析

深層地下水開(kāi)采資源由側(cè)向徑流補(bǔ)給、越流補(bǔ)給、含水層的彈性釋水和粘性土的壓密釋水四部分組成,但只有側(cè)向補(bǔ)給和越流補(bǔ)給是來(lái)自深層地下水系統(tǒng)外部的水,是深層地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源,反應(yīng)深層地下水的更新能力。深層含水層開(kāi)采早期,開(kāi)采資源主要由含水層彈性釋水、越流補(bǔ)給和側(cè)向補(bǔ)給三部分組成,粘性土壓密釋水所占比例很小;隨著開(kāi)采的繼續(xù),水位降落漏斗的擴(kuò)展,地面沉降的產(chǎn)生,粘性土壓密釋水所占比重越來(lái)越大。

伴隨著含水層的彈性釋水和粘性土的壓密,地面沉降隨之產(chǎn)生。當(dāng)水位降深較小時(shí),含水層與粘性土隔水層之間的水頭差所產(chǎn)生的應(yīng)力小于土層的前期固結(jié)壓力,地面沉降發(fā)展緩慢;而當(dāng)水位降深較大時(shí),若含水層與粘性土隔水層之間的水頭差所產(chǎn)生的應(yīng)力大于土層前期固結(jié)壓力,甚至造成土層結(jié)構(gòu)破壞時(shí),地面沉降的沉降速率必將加快。地面沉降速率與地下水位下降速率、地面沉降量與地下水位降幅有很好的相關(guān)性,沉降面積與承壓水水位下降漏斗在時(shí)空分布上基本相符。此外,地面沉降的發(fā)展和地下水位降落漏斗的發(fā)展也是一脈相承,均經(jīng)歷了緩慢發(fā)展——快速發(fā)展——穩(wěn)定發(fā)展的過(guò)程。

在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中,含水組與上覆地層壓力處于原始平衡狀態(tài),上覆地層壓力由含水組地層巖土顆粒骨架和孔隙水共同承擔(dān),根據(jù)太沙基公式 P=P1+UW

式中:P為上覆地層的總壓力;P1為巖土顆粒骨架所承受的有效應(yīng)力;UW為孔隙水承受的有效應(yīng)力,等于彈性水頭

當(dāng)抽取地下水時(shí),地下水位下降,等于孔隙水承壓力減小,在上覆地層壓力不變的情況下,孔隙水承壓減小部分轉(zhuǎn)嫁給巖土顆粒骨架,使其壓力增大,導(dǎo)致土體壓密而地面下沉。

地面沉降是動(dòng)用地下水儲(chǔ)存資源引起的一種惡果,是采大于補(bǔ),造成水資源枯竭的一種外部表現(xiàn)。尤其是動(dòng)用不可補(bǔ)償?shù)膬?chǔ)存資源引起永久性地面沉降而不能消除,同時(shí)使含水系統(tǒng)的供水調(diào)節(jié)能力相應(yīng)減少,資源條件將遭受無(wú)法彌補(bǔ)的損害。對(duì)于已開(kāi)采的孔隙承壓水系統(tǒng)水位的恢復(fù),并不意味著資源量的恢復(fù),因?yàn)閮?chǔ)存資源的一部分已轉(zhuǎn)化成了永久性地面沉降量而不能補(bǔ)償。因此再次開(kāi)采地下水時(shí),同樣的水位降深只能得到較小的水量。地層中易壓縮的粘性土所占比例越大,產(chǎn)生的永久性地面沉降量也越大,對(duì)含水系統(tǒng)供水調(diào)節(jié)能力的損害也越大。

4 地下水超采與地面沉降的關(guān)系

4.1 主要沉降層的確定

目前,滄州已經(jīng)開(kāi)采利用的地下水含水層是第四系松散沉積地層,包括Ⅰ -Ⅳ含水組,第Ⅰ含水組為無(wú)壓淺層水,其水位埋深的升降主要與降雨豐枯和開(kāi)采量有關(guān),地層的自然受力狀態(tài)并沒(méi)有受到破壞,所以不存在壓密沉降問(wèn)題。第Ⅱ含水組除肅寧部分全淡區(qū)有水量開(kāi)采外,其余絕大部分為咸水,目前尚未大面積開(kāi)采,基本處于自然受力狀態(tài),尚未引起沉降。第Ⅲ、Ⅳ含水組為主要開(kāi)采層,并長(zhǎng)期處于超采狀態(tài),因此滄州區(qū)域的地面沉降主要由第Ⅲ、Ⅳ含水組壓密變形引發(fā)。

4.2 地下水超采與地面沉降關(guān)系分析

地下水超過(guò)采導(dǎo)致地下水水位埋深下降,從而導(dǎo)致地面沉降,在滄州地區(qū),地面沉降中心的累計(jì)沉降量與該處的深層地下水水位降深呈高度正相關(guān)關(guān)系(下圖),并呈現(xiàn)如下規(guī)律:

(1)當(dāng)?shù)叵滤┒分行乃宦裆?20～60m時(shí),地面沉降速率為 3.75 mm/m(即水位每下降 1 m,地面相應(yīng)沉降 3.75 mm,下同),此時(shí),地面沉降處于緩慢沉降階段,不會(huì)發(fā)生大面積沉降,地面沉降僅在開(kāi)采區(qū)中心出現(xiàn);

(2)當(dāng)?shù)叵滤┒分行乃宦裆?60～70m時(shí)地面沉降速率增到 32mm/m,是 20～60m速率的 8.5倍,水位埋深加速,并擴(kuò)展至整個(gè)漏斗區(qū);而水位埋深 70 m是地面沉降發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)十分明顯的拐點(diǎn)。

(3)當(dāng)?shù)叵滤┒分行乃宦裆畲笥?70m后,地面沉降從緩慢增長(zhǎng)幾乎變?yōu)橹本€增長(zhǎng),沉降速率為 62.5 mm/m,遠(yuǎn)比水位降深 70m之前大得多。所以,在滄州地區(qū),其警戒水位為漏斗中心水位埋深 60m,危急水位為漏斗中心水位埋深70m。

圖 3 滄州市地面累計(jì)沉降量與地下水位降深關(guān)系曲線

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,滄州地區(qū)的地下水超過(guò)采已引發(fā)了嚴(yán)重的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題,為遏制這種現(xiàn)象的惡化,嚴(yán)格控制地下水的開(kāi)采,實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度,做到總量控制、定額管理,實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,使滄州水環(huán)境得到修復(fù)和改善。

[1]胡榮花,王婧雅等 淺議滄州地表水環(huán)境綜合修復(fù)技術(shù)及應(yīng)用[J].地下水,2009.

[2]河北省滄州市水利局.滄州市水資源調(diào)查評(píng)價(jià)及對(duì)策,2004.04.

[3]河北省滄州市水務(wù)局.河北省滄州市地下水壓采實(shí)施方案編制及管理政策研究,2008.12.

P641.69

B

1004-1184(2010)03-0035-02

2009-09-29

李志敏(1965-),女,河北獻(xiàn)縣人,高級(jí)工程師,主要從事水利工程工作。